王飛

（安徽省皖江城際六慶鐵路股份有限公司，合肥 23000）

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)高速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施愈發(fā)密集，建筑空間擁擠和交通錯(cuò)雜問題日益突出，隧道近距離下穿高架橋樁也越來越多。由于地下工程地質(zhì)和水文條件復(fù)雜，若設(shè)計(jì)與施工方案不合理，極易引發(fā)隧道基坑開挖導(dǎo)致橋樁側(cè)移、橋梁上部結(jié)構(gòu)坍塌等風(fēng)險(xiǎn)。隨著地下工程開發(fā)建設(shè)逐步向深大化、復(fù)雜化發(fā)展，臨近橋樁的基坑開挖將會越來越多，因此在緊鄰高架橋樁情況下，研究深基坑選用何種支護(hù)結(jié)構(gòu)具有重要的工程實(shí)際意義。

唐鵬［1］通過有限元手段，綜合考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與水土壓力的相互作用，對比分析了分區(qū)開挖和整體開挖兩種不同工況下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、既有高架橋梁的變形特性。周海波［2］結(jié)合實(shí)際工程，分析了在緊鄰橋樁的情況下不同的支護(hù)型式的橋樁位移、基坑位移等。沈建芳等［3］基于工程實(shí)例，采用三維有限元數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了基坑開挖對鄰近橋梁樁基的變形影響。芮勇勤等［4］結(jié)合具體工程，研究了車站基坑群施工對鄰近橋梁、高鐵路基穩(wěn)定性的影響。安玉紅［5］采用數(shù)值模擬的方式研究了CSM 水泥土攪拌隔離樁在地鐵基坑緊鄰橋樁時(shí)的保護(hù)效果。王恒等［6］研究了深基開挖時(shí)鄰近橋梁樁基的響應(yīng)性狀，分析了樁基兩側(cè)土體的位移情況，并給出了對應(yīng)的樁基加固措施。李翠［7］結(jié)合地鐵車站施工，采用有限元軟件，對基坑開挖引起的臨近輕軌高架橋梁結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)合計(jì)算結(jié)果對現(xiàn)場監(jiān)測及施工提出相應(yīng)的建議和措施。萬嘉成等［8］基于上海軟土地區(qū)某基坑工程開挖實(shí)例，通過建立三維有限元模型，深入探究了基坑開挖卸載對鄰近樁基豎向受荷性狀影響。

文中以蘇州某隧道工程為案例，綜合考慮樁土相互作用，探討了在緊鄰橋樁的情況下隧道基坑的支護(hù)形式的合理選型，并借助理正結(jié)構(gòu)軟件和ABAQUS有限元軟件，分別建立計(jì)算模型，分析對比了隧道基坑開挖對橋樁的影響，可供類似工程參考。

1 工程概況

蘇州某隧道項(xiàng)目受現(xiàn)狀有軌電車高架橋墩影響，采用兩孔分離式隧道，隧道與現(xiàn)狀高架區(qū)間平行，采用明挖法施工。緊鄰橋樁段隧道基坑深度最大處為8.4m，寬14.9m，基坑距離現(xiàn)狀有軌電車橋梁承臺最近約2.0m，距橋樁最近約2.65m。該段地質(zhì)情況從上而下分述如下：

（1） ①1-b雜填土層（道路結(jié)構(gòu)層）：瀝青混凝土路面和二灰碎石，工程特性較好。

（2） ①4-1素填土層（壓實(shí)填土層）：褐黃-灰-灰黃色，壓實(shí)，以粘性土為主，夾少量碎石、石灰等，大多含有摻灰道渣或摻灰土，經(jīng)過壓實(shí)處理，土質(zhì)不均。

（3） ③1粘土：褐黃-灰黃色，可-硬塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，夾灰色條紋。該層壓縮性中等，工程特性良好。

（4） ③2粉質(zhì)粘土：灰黃-青灰，可塑為主。含鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及灰色團(tuán)塊，下部夾薄層粉土，局部粉土含量高，該層壓縮性中等，工程特性中等。

（5） ④2粉土：灰黃-灰色，稍密-中密，飽和。夾薄層粉質(zhì)粘土，含云母碎片，該層壓縮性中等，工程特性中等。

（6） ⑤粉質(zhì)粘土：灰色，軟塑-流塑。薄層理發(fā)育，夾少量粉土薄層，該層壓縮性中等偏高，工程特性一般。

（7） ⑥1 粘土：暗綠-灰黃色，可塑-硬塑。含灰色團(tuán)塊、條紋、鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，下部見鐵錳質(zhì)結(jié)核，偶夾薄層粉質(zhì)粘土，該層壓縮性中等，工程特性良好。

（8） ⑥2粘土夾粉質(zhì)粘土：灰黃-青灰，可塑-硬塑。含鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，局部粉粒含量高，夾少量薄層粉土，偶夾姜結(jié)塊，該層壓縮性中等，工程特性中等-良好。

（9） ⑦1 粉質(zhì)粘土：灰色，局部青灰色，可塑-軟塑。稍具層理，夾少量薄層粉土，該層壓縮性中等，工程特性一般。

（10） ⑦3 粉質(zhì)粘土：青灰-灰色，可塑-軟塑，薄層理發(fā)育，夾少量薄層粉土，該層壓縮性中等偏高，工程特性一般。

各巖土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。隧址區(qū)測得穩(wěn)定水位標(biāo)高在0.9～1.10m 左右。既有高架橋樁樁徑1.2m，樁長35m，高架橋上部橋跨結(jié)構(gòu)底至現(xiàn)狀地面凈空約5.5m。隧道施工過程中若產(chǎn)生過大的水平變形，將有可能導(dǎo)致橋墩及橋梁下部結(jié)構(gòu)變形及開裂，嚴(yán)重的話將影響整座橋梁的安全，因此，工程重難點(diǎn)為分析隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工的擠土影響和基坑開挖期間卸載等因素對臨近橋梁結(jié)構(gòu)的的影響。

表1 各巖土層力學(xué)指標(biāo)

2 基坑支護(hù)方案

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［9］的有關(guān)規(guī)定，參考《上海市基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［10］、《蘇州軌道交通建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，并查閱原有軌電車橋樁設(shè)計(jì)文件要求，綜合考慮基坑施工期間各項(xiàng)因素影響，確定：隧道臨近有軌電車橋樁處基坑安全等級和基坑環(huán)境保護(hù)等級均為一級，橋墩承臺水平位移應(yīng)小于10mm，橋墩承臺沉降應(yīng)小于10mm，傾斜允許值i 小于0.002?；诱w穩(wěn)定性安全系數(shù)不得小于1.35，抗隆起安全系數(shù)不得小于1.8，嵌固穩(wěn)定性安全系數(shù)不得小于1.25。

由于現(xiàn)狀高架橋上部橋跨結(jié)構(gòu)底至現(xiàn)狀地面凈空約5.5m 且基坑距橋梁承臺最近僅2m，經(jīng)適用性和經(jīng)濟(jì)性必選，圍護(hù)樁采用剛度大、控制變形好的1000mm@1200mm 鉆孔灌注樁，止水帷幕采用800mm@550mm 三重管高壓旋噴樁，基坑內(nèi)部支撐采用兩道支撐+一道換撐（增設(shè)換撐主要為了控制隧道主體結(jié)構(gòu)回筑階段基坑變形），其中第一道支撐采用800mm×800mm 鋼筋混凝土支撐，第二道支撐及換撐選用609×16mm鋼支撐。

為減少隧道基坑施工期間對有軌電車橋梁結(jié)構(gòu)的影響，確保有軌電車運(yùn)營安全，對基坑施工期間采取如下施工措施：

（1） 對鄰近橋樁墩臺側(cè)的隧道基坑被動區(qū)進(jìn)行裙邊加固，采用800mm@600mm雙重管旋噴樁裙邊加固，隧道橫向范圍加固寬度為5m，縱向在有軌電車橋梁承臺兩側(cè)各延伸5m，加固至坑底以下3m。旋噴樁水泥摻量30%，加固后土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0MPa。

（2） 隧道基坑開挖過程中，同一里程位置處左右線基坑同步開挖土體，橋樁兩側(cè)均勻卸載，有利于減少橋樁的變形。

（3） 嚴(yán)格控制隧道基坑周邊堆放棄土，禁止重物堆載，基坑周邊超載不得超過20kPa。

（4） 坑內(nèi)設(shè)置疏干井，坑外設(shè)置一定數(shù)量的觀測井兼做回灌井?；觾?nèi)地下水位在基坑開挖之前應(yīng)降至基坑面以下1m。基坑降水應(yīng)提前基坑開挖不少于20d進(jìn)行。

（5） 在隧道施工期間，一旦監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)對橋樁周圍土體進(jìn)行注漿加固，以控制樁基沉降的發(fā)展。

圖1 基坑支護(hù)斷面圖（單位：mm）

（6） 基坑設(shè)置橫向止水帷幕，分區(qū)降水。分區(qū)、分塊進(jìn)行基坑開挖。開挖至坑底后，盡快施工隧道主體結(jié)構(gòu)。

采用理正結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對不同開挖工況下基坑變形、周邊地表沉降以及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，均滿足規(guī)范安全穩(wěn)定要求。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為3.39mm，地表最大沉降量7mm，較好地反映了該方案能滿足基坑開挖對鄰近有軌電車橋梁的安全性要求。具體如表2所示。

表2 基坑變形及穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)構(gòu)

3 數(shù)值模擬

上述計(jì)算中僅考慮基坑本身受坑周水土壓力及坑周荷載作用下產(chǎn)生變形和位移，為全面考慮基坑與橋樁相互作用，采用有限元分析方法建立模型來模擬基坑開挖過程中土體與圍護(hù)體系間的相互作用，分析基坑開挖引起的橋樁的位移。選用有限元軟件ABAQUS，建立二維模型。考慮模型邊界效應(yīng)，保證數(shù)值模擬的計(jì)算精度和計(jì)算效果，模型在x 軸（水平）方向取300m；基坑開挖深度為8.4m，在y 軸（豎向）方向取52.5m，確保模型的寬度和深度均滿足基坑開挖卸載效應(yīng)引起的影響范圍的要求。模型的邊界條件為對土體的左右、底部界面進(jìn)行x、y雙向約束。為模擬有軌電車橋梁承臺所受上部荷載（考慮橋梁結(jié)構(gòu)自重和上部電車行駛荷載），在承臺施加395kPa的均布荷載。

考慮巖土體具有彈塑性，因此土體的彈性部分選用線彈性模型模擬，塑性部分選用Mohr-Coulomb 模型模擬，此模型采Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，假定σ和τ分別表示土體內(nèi)某剪切面上一點(diǎn)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，考慮土體材料在極限狀態(tài)下，剪切破壞面上的σ 和τ的關(guān)系可表示：

土體采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，其應(yīng)力空間的屈服表達(dá)式：

式中，I1為應(yīng)力張量的第一不變量；J2為應(yīng)力偏量的第二不變量；θ為應(yīng)力羅德角。

對于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)均采用彈性模型模擬?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)見表3。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與各道內(nèi)支撐按照綁定關(guān)系考慮。有軌電車橋樁基礎(chǔ)、基坑圍護(hù)樁與周邊土體均建立摩擦接觸關(guān)系，考慮樁身范圍內(nèi)主要為粉質(zhì)粘土，摩擦系數(shù)取0.35。

有限元計(jì)算模擬工況根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工工況進(jìn)行設(shè)置，主要分為5個(gè)工況，如表4所示。

表4 基坑施工工況描述

重點(diǎn)對基坑的水平位移及既有橋樁的水平變形有限元計(jì)算結(jié)果作重點(diǎn)分析。

從上圖2 可以看出，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移整體呈“兩頭小，中間大”狀的變形規(guī)律，最大水平位移（6.3mm）發(fā)生在坑底附近。分析其原因，只要由于第一道支撐采用混凝土撐，剛度大，較好地限制了基坑頂部附近位移；第二道支撐采用鋼支撐，剛度較小，且與第一道支撐豎向間隔較大，再加上坑底存在隆起等問題。因此基坑開挖過程中及時(shí)架設(shè)支撐減少基坑暴露時(shí)間、開挖至坑底及時(shí)進(jìn)行墊層及底板的澆筑、適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行坑底附近被動區(qū)的加固等均可有效減少基坑水平變形。

圖2 開挖至坑底基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

從圖3 可以看出，由于基坑開挖卸載已導(dǎo)致現(xiàn)狀橋樁產(chǎn)生“魚腹?fàn)睢睆澢冃?，橋樁朝向基坑?cè)的最大水平變形量為5.49mm?；娱_挖范圍內(nèi)支撐及圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系剛度大，故橋樁上部水平變形??；基坑底部隆起造成橋樁中部水平位移變大；深部由于巖土層對樁基產(chǎn)生“嵌固”作用，故水平變形較小。

圖3 開挖至坑底處既有橋樁水平變形

綜上所述，根據(jù)有限元分析可得，理正結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算的基坑水平位移（3.39mm）＜有限元軟件計(jì)算的基坑水平位移（6.3mm），主要由于理正結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件僅考慮基坑單側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)受到水土壓力及超載作用，而有限元計(jì)算分析時(shí)考慮了隧道左右線基坑開挖卸載相互影響，與實(shí)際情況也更加吻合。此外，橋樁的最大水平變形為5.49mm滿足相關(guān)規(guī)范及文件所規(guī)定對應(yīng)的限值。

基坑開挖時(shí)實(shí)施全過程的信息化施工監(jiān)測，嚴(yán)格監(jiān)控有軌電車橋樁承臺的變形情況和止水帷幕滲漏情況，并對坑周地表沉降和有軌電車橋樁變形（包括墩身沉降、水平位移及傾斜）進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測結(jié)果分析反饋，基坑周邊沉降值、橋墩承臺水平位移值，橋墩承臺沉降值，傾斜值均小于設(shè)計(jì)文件控制值的要求。

4 結(jié)語

文中結(jié)合具體工程，探究了隧道在緊鄰橋樁情況下，隧道基坑的合理支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。并借助理正結(jié)構(gòu)軟件和ABAQUS有限元軟件，分析對比了隧道基坑開挖對橋樁的影響，結(jié)果表明：

（1） 采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁+兩道支撐+一道換撐方案合理、可行。

（2） 理正結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算的基坑水平位移小于有限元軟件計(jì)算結(jié)果，主要由于理正結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件僅考慮基坑單側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)受到水土壓力及超載作用，而有限元計(jì)算分析時(shí)考慮了隧道左右線基坑開挖卸載相互影響，與實(shí)際情況也更加吻合。

（3） 既有橋樁的最大水平位移為5.49mm 滿足相關(guān)規(guī)范及文件所規(guī)定對應(yīng)的限值要求。